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本书实践训练项目按照从简到繁、由浅入深的原则设计编排，从点（智能制造单元实训）开始，逐步到线（智能产线实训）再到面（智能工厂，基于互联网的协同智能制造训练），虚实结合，循序渐进。本书注重理论教学与实践教学的融合汇通，将智能制造领域的高新技术企业真实案例、典型解决方案融入教材
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本书分为6章，分别介绍智能制造概念、智能制造单元实训、智能产线实训、智能制造系统中的工业互联网认知与实训、数字孪生技术在智能制造领域的应用实训、复杂工程系统中的典型装备认知与实训。本书实践训练项目按照从简到繁、由浅入深的原则设计编排，从点（智能制造单元实训）开始，逐步到线（智能产线实训）再到面（智能工厂，基于互联网的协同智能制造训练），虚实结合，循序渐进。本书注重理论教学与实践教学的融合汇通，将智能制造领域的高新技术企业真实案例、典型解决方案融入教材，旨在帮助学生通过实践环节学习掌握高端装备及其智能制造的本质规律，激发学生投身高端装备智能制造事业的热情，达到培养学生创新实践能力、提高学生工程素质的目的。
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前言第1章绪论1导语111智能制造装备与智能制造岛概述1111智能制造装备认知1112智能制造岛认知612智能产线概述9121智能产线的组成10122智能产线的规划与布局1013智能工厂概述12131智能工厂总体框架13132智能工厂技术支持体系1714本章小结19思考题20第2章智能制造单元实训21导语2121高端数控加工实训21211高端数控加工概述21212多轴定向数控加工实训：箱体特征零件加工24213多轴联动数控加工实训：叶轮特征零件加工3622智能制造岛实训47221焊接制造岛加工实训47222切削制造岛加工实训5423制造工艺参数优化62231制造工艺参数概述62232工艺参数优化方法6524本章小结66思考题66第3章智能产线实训69导语6931智能感知与在线检测实训69311非接触式在线检测70312接触式在线检测7932工业机器人的典型应用87321工业机器人的搬运应用87322工业机器人的装配应用95323工业机器人的码垛应用10233智能仓储实训10634智能生产管理实训111341AGV的调度控制111342生产排程的管理控制116343基于数字化管理软件的产线管控118思考题120第4章智能制造系统中的工业互联网认知与实训122导语12241工业互联网与传感器应用技术122411基础与体系结构122412通信网络与互联协议125413感知互联与智能传感器127414数据服务与工业应用13142基础应用及实训133421EtherNet/IP应用实训133422EtherCAT应用实训139423PROFINET应用实训145424Modbus应用实训15043大数据平台应用实训158431综合实训：工业互联网能耗监测系统设计158432综合实训：基于时序数据库的监测平台设计及实现165433课程设计：工业故障诊断与预测系统设计17244智能协同与AI应用综合设计175441远程监控与故障诊断1764425G+工业互联网视觉检测176443工业机器人群控及路径规划17845本章小结179思考题179第5章数字孪生技术在智能制造领域的应用实训180导语18051数字孪生技术概述180511数字孪生基本概念180512数字孪生的关键技术185513数字孪生的关键技术应用实践18752VR/AR/MR技术概述197521VR/AR/MR基本概念198522VR/AR/MR关键显示技术200523VR/AR/MR在智能制造领域的应用趋势20053智能产线数字孪生实训201531数字孪生技术在智能产线上的应用201532智能产线数字孪生关键技术202533智能产线数字孪生虚拟调试实训20454智能工厂数字孪生213541概述213542数字孪生智能工厂功能214543数字孪生在智能工厂的应用案例21555本章小结220思考题221第6章复杂工程系统中的典型装备认知与实训222导语22261典型智能复杂产品认知222611智能网联汽车222612航空发动机224613光刻机225614CT机227615核磁共振仪228616手术机器人23062光刻工艺认知与实训231621光刻工艺技术概述231622光刻设备与工具235623光刻制造薄膜微图形实训23963工业机器人关键部件拆装实训242631典型六轴机器人拆装实训242632机器人减速器拆装实训252633AGV智能搬运机器人26064协作机器人操控实训263641协作机器人特点及应用场景263642协作机器人使用265643协作机器人搬运实训267644自主持镜机器人实训27065本章小结275思考题275参考文献276
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为了深入贯彻教育、科技、人才一体化推进的战略思想，加快发展新质生产力，高质量培养卓越工程师，在新一代信息技术、绿色环保、新材料、国土空间规划、智能网联和新能源汽车、航空航天、高端装备制造、重型燃气轮机、新能源、生物产业、生物育种、未来产业等领域组织编写了战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材。本套教材属于高端装备制造领域。高端装备技术含量高，涉及学科多，资金投入大，风险控制难，服役寿命长，其研发与制造一般需要组织跨部门、跨行业、跨地域的力量才能完成。它可分为基础装备、专用装备和成套装备，例如：高端数控机床、高端成形装备和大规模集成电路制造装备等是基础装备；航空航天装备、高速动车组、海洋工程装备和医疗健康装备等是专用装备；大型冶金装备、石油化工装备等是成套装备。复杂产品的产品构成、产品技术、开发过程、生产过程、管理过程都十分复杂，例如人形机器人、智能网联汽车、生成式人工智能等都是复杂产品。现代高端装备和复杂产品一般都是智能互联产品，既具有用户需求的特异性、产品技术的创新性、产品构成的集成性和开发过程的协同性等产品特征，又具有时代性和永恒性、区域性和全球性、相对性和普遍性等时空特征。高端装备和复杂产品制造业是发展新质生产力的关键，是事关国家经济安全和国防安全的战略性产业，其发展水平是国家科技水平和综合实力的重要标志。高端装备一般都是复杂产品，而复杂产品并不都是高端装备。高端装备和复杂产品在研发生产运维全生命周期过程中具有很多共性特征。本套教材围绕这些特征，以多类高端装备为主要案例，从培养卓越工程师的战略性思维能力、系统性思维能力、引领性思维能力、创造性思维能力的目标出发，重点论述高端装备智能制造的基础理论、关键技术和创新实践。在论述过程中，力图体现思想性、系统性、科学性、先进性、前瞻性、生动性相统一。通过相关课程学习，希望学生能够掌握高端装备的构造原理、数字化网络化智能化技术、系统工程方法、智能研发生产运维技术、智能工程管理技术、智能工厂设计与运行技术、智能信息平台技术和工程实验技术，更重要的是希望学生能够深刻感悟和认识高端装备智能制造的原生动因、发展规律和思想方法。1高端装备智能制造的原生动因所有的高端装备都有原始创造的过程。原始创造的动力有的是基于现实需求，有的来自潜在需求，有的是顺势而为，有的则是梦想驱动。下面以光刻机、计算机断层扫描仪（CT）、汽车、飞机为例，分别加以说明。光刻机的原生创造是由现实需求驱动的。1952年，美国军方指派杰伊·拉斯罗普（Jay WLathrop）和詹姆斯·纳尔（James RNall）研究减小电子电路尺寸的技术，以便为炸弹、炮弹设计小型化近炸引信电路。他们创造性地应用摄影和光敏树脂技术，在一片陶瓷基板上沉积了约为200μm宽的薄膜金属线条，制作出了含有晶体管的平面集成电路，并率先提出了“光刻”概念和原始工艺。在原始光刻技术的基础上，又不断地吸纳更先进的光源技术、高精度自动控制技术、新材料技术、精密制造技术等，推动着光刻机快速演进发展，为实现半导体先进制程节点奠定了基础。CT的创造是由潜在需求驱动的。利用伦琴（Wilhelm CRntgen）发现的X射线可以获得人体内部结构的二维图像，但三维图像更令人期待。塔夫茨大学教授科马克（Allan MCormack）在研究辐射治疗时，通过射线的出射强度求解出了组织对射线的吸收系数，解决了CT成像的数学问题。英国电子与音乐工业公司工程师豪斯费尔德（Godfrey NHounsfield）在几乎没有任何实验设备的情况下，创造条件研制出了世界上第一台CT原型机，并于1971年成功应用于疾病诊断。他们也因此获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。时至今日，新材料技术、图像处理技术、人工智能技术等诸多先进技术已经广泛地融入CT之中，显著提升了CT的性能，扩展了CT的功能，对保障人民生命健康发挥了重要作用。汽车的发明是顺势而为的。1765年瓦特（James Watt）制造出了第一台有实用价值的蒸汽机原型，人们自然想到如何把蒸汽机和马力车融合到一起，制造出用机械力取代畜力的交通工具。1769年法国工程师居纽（NicolasJoseph Cugnot）成功地创造出世界上第一辆由蒸汽机驱动的汽车。这一时期的汽车虽然效率低下、速度缓慢，但它展示了人类对机械动力的追求和变革传统交通方式的渴望。19世纪末卡尔·本茨（Karl Benz）在蒸汽汽车的基础上又发明了以内燃机为动力源的现代意义上的汽车。经过一个多世纪的技术进步和管理创新，特别是新能源技术和新一代信息技术在汽车产品中的成功应用，汽车的安全性、可靠性、舒适性、环保性以及智能化水平都产生了质的跃升。飞机的发明是梦想驱动的。飞行很早就是人类的梦想，然而由于未能掌握升力产生及飞行控制的机理，工业革命之前的飞行尝试都是以失败告终。1799年乔治·凯利（George Cayley）从空气动力学的角度分析了飞行器产生升力的规律，并提出了现代飞机“固定翼+机身+尾翼”的设计布局。1848年斯特林费罗（John Stringfellow）使用蒸汽动力无人飞机第一次实现了动力飞行。1903年莱特兄弟（Orville Wright和Wilbur Wright）制造出“飞行者一号”飞机，并首次实现由机械力驱动的持续且受控的载人飞行。随着航空发动机和航空产业的快速发展，飞机已经成为一类既安全又舒适的现代交通工具。数字化网络化智能化技术的快速发展为高端装备的原始创造和智能制造的升级换代创造了历史性机遇。智能人形机器人、通用人工智能、智能卫星通信网络、各类无人驾驶的交通工具、无人值守的全自动化工厂，以及取之不尽的清洁能源的生产装备等都是人类科学精神和聪明才智的迸发，它们也是由于现实需求、潜在需求、情怀梦想和集成创造的驱动而初步形成和快速发展的。这些星星点点的新装备、新产品、新设施及其制造模式一定会深入发展和快速拓展，在不远的将来一定会融合成为一个完整的有机体，从而颠覆人类现有的生产方式和生活方式。2高端装备智能制造的发展规律在高端装备智能制造的发展过程中，原始科学发现和颠覆性技术创新是最具影响力的科技创新活动。原始科学发现侧重于对自然现象和基本原理的探索，它致力于揭示未知世界，拓展人类的认知边界，这些发现通常来自于基础科学领域，如物理学、化学、生物学等，它们为新技术和新装备的研发提供了理论基础和指导原则。颠覆性技术创新则侧重于将科学发现的新理论新方法转化为现实生产力，它致力于创造新产品、新工艺、新模式，是推动高端装备领域高速发展的引擎，它能够打破现有技术路径的桎梏，创造出全新的产品和市场，引领高端装备制造业的转型升级。高端装备智能制造的发展进化过程有很多共性规律，例如：①通过工程构想拉动新理论构建、新技术发明和集成融合创造，从而推动高端装备智能制造的转型升级，同时还会产生技术溢出效应。②通过不断地吸纳、改进、融合其他领域的新理论新技术，实现高端装备及其制造过程的升级换代，同时还会促进技术再创新。③高端装备进化过程中各供给侧和各需求侧都是互动发展的。以医学核磁共振成像（MRI）装备为例，这项技术的诞生和发展，正是源于一系列重要的原始科学发现和重大技术创新。MRI技术的根基在于核磁共振现象，其本质是原子核的自旋特性与外磁场之间的相互作用。1946年美国科学家布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward MPurcell）分别独立发现了核磁共振现象，并因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。传统的MRI装备使用永磁体或电磁体，磁场强度有限，扫描时间较长，成像质量不高，而超导磁体的应用是MRI技术发展史上的一次重大突破，它能够产生强大的磁场，显著提升了MRI的成像分辨率和诊断精度，将MRI技术推向一个新的高度。快速成像技术的出现，例如回波平面成像（EPI）技术，大大缩短了MRI扫描时间，提高了患者的舒适度，拓展了MRI技术的应用场景。功能性MRI（fMRI）的兴起打破了传统的MRI主要用于观察人体组织结构的功能制约，它能够检测脑部血氧水平的变化，反映大脑的活动情况，为认知神经科学研究提供了强大的工具，开辟了全新的应用领域。MRI装备的成功，不仅说明了原始科学发现和颠覆性技术创新是高端装备和智能制造发展的巨大推动力，而且阐释了高端装备智能制造进化过程往往遵循着“实践探索、理论突破、技术创新、工程集成、代际跃升”循环演进的一般发展规律。高端装备智能制造正处于一个机遇与挑战并存的关键时期。数字化网络化智能化是高端装备智能制造发展的时代要求，它既蕴藏着巨大的发展潜力，又充满着难以预测的安全风险。高端装备智能制造已经呈现出“数据驱动、平台赋能、智能协同和绿色化、服务化、高端化”的诸多发展规律，我们既要向强者学习，与智者并行，吸纳人类先进的科学技术成果，更要持续创新前瞻思维，积极探索前沿技术，不断提升创新能力，着力创造高端产品，走出一条具有特色的高质量发展之路。3高端装备智能制造的思想方法高端装备智能制造是一类具有高度综合性的现代高技术工程。它的鲜明特点是以高新技术为基础，以创新为动力，将各种资源、新兴技术与创意相融合，向技术密集型、知识密集型方向发展。面对系统性、复杂性不断加强的知识性、技术性造物活动，必须以辩证的思维方式审视工程活动中的问题，从而在工程理论与工程实践的循环推进中，厘清与推动工程理念与工程技术深度融合、工程体系与工程细节协调统一、工程规范与工程创新互相促进、工程队伍与工程制度共同提升，只有这样才能促进和实现工程活动与自然经济社会的和谐发展。高端装备智能制造是一类十分复杂的系统性实践过程。在制造过程中需要协调人与资源、人与人、人与组织、组织与组织之间的关系，所以系统思维是指导高端装备智能制造发展的重要方法论。系统思维具有研究思路的整体性、研究方法的多样性、运用知识的综合性和应用领域的广泛性等特点，因此在运用系统思维来研究与解决现实问题时，需要从整体出发，充分考虑整体与局部的关系，按照一定的系统目的进行整体设计、合理开发、科学管理与协调控制，以期达到总体效果最优或显著改善系统性能的目标。高端装备智能制造具有巨大的包容性和与时俱进的创新性。近几年来，数字化、网络化、智能化的浪潮席卷全球，为高端装备智能制造的发展注入了前所未有的新动能，以人工智能为典型代表的新一代信息技术在高端装备智能制造中具有极其广阔的应用前景。它不仅可以成为高端装备智能制造的一类新技术工具，还有可能成为指导高端装备智能制造发展的一种新的思想方法。作为一种强调数据驱动和智能驱动的思想方法，它能够促进企业更好地利用机器学习、深度学习等技术来分析海量数据、揭示隐藏规律、创造新型制造范式，指导制造过程和决策过程，推动制造业从经验型向预测型转变，从被动式向主动式转变，从根本上提高制造业的效率和效益。生成式人工智能（AIGC）已初步显现通用人工智能的“星星之火”，正在日新月异地发展，对高端装备智能制造的全生命周期过程以及制造供应链和企业生态系统的构建与演化都会产生极其深刻的影响，并有可能成为一种新的思想启迪和指导原则。例如：①AIGC能够赋予企业更强大的市场洞察力，通过海量数据分析，精准识别用户偏好，预测市场需求趋势，从而指导企业研发出用户未曾预料到的创新产品，提高企业的核心竞争力。②AIGC能够通过分析生产、销售、库存、物流等数据，提出制造流程和资源配置的优化方案，并通过预测市场风险，指导建设高效灵活稳健的运营体系。③AIGC能够将企业与供应商和客户连接起来，实现信息实时共享，提升业务流程协同效率，并实时监测供应链状态，预测潜在风险，指导企业及时调整协同策略，优化合作共赢的生态系统。高端装备智能制造的原始创造和发展进化过程都是在“科学、技术、工程、产业”四维空间中进行的，特别是近年来从新科学发现、到新技术发明、再到新产品研发和新产业形成的循环发展速度越来越快，科学、技术、工程、产业之间的供求关系明显地表现出供应链的特征。我们称由科学技术工程产业交互发展所构成的供应链为科技战略供应链。深入研究科技战略供应链的形成与发展过程，能够更好地指导我们发展新质生产力，能够帮助我们回答高端装备是如何从无到有的、如何发展演进的、根本动力是什么、有哪些基本规律等核心科学问题，从而促进高端装备的原始创造和创新发展。本套由合肥工业大学负责的高端装备类教材共有12本，涵盖了高端装备的构造原理和智能制造的相关技术方法。《智能制造概论》对高端装备智能制造过程进行了简要系统的论述，是本套教材的总论。《工业大数据与人工智能》《工业互联网技术》《智能制造的系统工程技术》论述了高端装备智能制造领域的数字化网络化智能化和系统工程技术，是高端装备智能制造的技术与方法基础。《高端装备构造原理》《智能网联汽车构造原理》《智能装备设计生产与运维》《智能制造工程管理》论述了高端装备（复杂产品）的构造原理和智能制造的关键技术，是高端装备智能制造的技术本体。《离散型制造智能工厂设计与运行》《流程型制造智能工厂设计与运行：制造循环工业系统》论述了智能工厂和工业循环经济系统的主要理论和技术，是高端装备智能制造的工程载体。《智能制造信息平台技术》论述了产品、制造、工厂、供应链和企业生态的信息系统，是支撑高端装备智能制造过程的信息系统技术。《智能制造实践训练》论述了智能制造实训的基本内容，是培育创新实践能力的关键要素。编者在教材编写过程中，坚持把培养卓越工程师的创新意识和创新能力的要求贯穿到教材内容之中，着力培养学生的辩证思维、系统思维、科技思维和工程思维。教材中选用了光刻机、航空发动机、智能网联汽车、CT、MRI、高端智能机器人等多种典型装备作为研究对象，围绕其工作原理和制造过程阐述高端装备及其制造的核心理论和关键技术，力图扩大学生的视野，使学生通过学习掌握高端装备及其智能制造的本质规律，激发学生投身高端装备智能制造的热情。在教材编写过程中，一方面紧跟国际科技和产业发展前沿，选择典型高端装备智能制造案例，论述国际智能制造的最新研究成果和最先进的应用实践，充分反映国际前沿科技的最新进展；另一方面，注重从我国高端装备智能制造的产业发展实际出发，以我国自主知识产权的可控技术、产业案例和典型解决方案为基础，重点论述我国高端装备智能制造的科技发展和创新实践，引导学生深入探索高端装备智能制造的中国道路，积极创造高端装备智能制造发展的中国特色，使学生将来能够为我国高端装备智能制造产业的高质量发展做出颠覆性、创造性贡献。在本套教材整体方案设计、知识图谱构建和撰稿审稿直至编审出版的全过程中，有很多令人钦佩的人和事，我要表示最真诚的敬意和由衷的感谢！首先要感谢各位主编和参编学者们，他们倾注心力、废寝忘食，用智慧和汗水挖掘思想深度、拓展知识广度，展现出严谨求实的科学精神，他们是教材的创造者！接着要感谢审稿专家们，他们用深邃的科学眼光指出书稿中的问题，并耐心指导修改，他们认真负责的工作态度和学者风范为我们树立了榜样！再者，要感谢机械工业出版社的领导和编辑团队，他们的辛勤付出和专业指导，为教材的顺利出版提供了坚实的基础！最后，特别要感谢高教司和各主编单位领导以及部门负责人，他们给予的指导和对我们的支持，让我们有了强大的动力和信心去完成这项艰巨任务！合肥工业大学教授中国工程院院士2024年5月智能制造涉及的学科专业众多、理论性强、体系系统庞大。制定专门的实践训练项目，能够有效地帮助读者理解智能制造的基本概念和技术关键，掌握智能制造的核心技术和应用要点。本书是规划的“战略性新兴领域教材建设重点项目”之“高端装备制造”丛书之一。本套丛书共12本，较全面地介绍了高端装备的构造原理、智能制造相关的技术与方法。作为面向高校的教学用书，本书定位于智能制造相关实践实训教学，目的是让学生通过实践性认知和实操性体验的学习方式，形成对智能制造及高端装备相关知识的较深入的理解，并掌握一定的技术性运用、操作的技能。通过实践学习过程，有效培养学生的工程创新意识和能力。本书按照由简到繁、由浅入深的认知逻辑编排，实训项目的安排从智能制造单元开始，逐步到产线，再到智能工厂，以点线面的形式循序渐进，注重理实融合、产教融汇，从企业生产实践中遴选真实案例和具有典型意义的解决方案融入实训项目设计，尽量做到虚实结合。全书共6章，分别介绍智能制造概念、智能制造单元实训、智能产线实训、智能制造系统中的工业互联网认知与实训、数字孪生技术在智能制造领域的应用实训、复杂工程系统中的典型装备认知与实训。每一章都有对应的认知实践和实操实训模块，如通过传感采集、机器视觉、激光检测等环节来体现制造过程中的智能化感知，通过AGV、立体仓库、MES等体现智能制造中的资源调度、排产优化和运维管理的智能化，通过对工业机器人关键部件的拆装实训、操控编程实训等体验复杂工程系统中的高端智能装备使能技术等。为方便教与学，本书配套建设了较完整的知识图谱，还提供了较丰富的案例视频、线上课程及线上实验教学等数字化资源。本书可以作为智能制造工程、机械工程等相关专业的本科生、研究生的实验实训课程教材，也可供从事智能制造领域或方向的工程技术人员参考。本书由合肥工业大学朱华炳、大连理工大学梁延德担任主编，本书的编写分工如下：第1章由梁延德、徐国胜、张红哲、朱华炳编写，第2章由桑一村、张玉洲编写，第3章由钟平、徐国胜编写，第4章由赵冲、高晨辉、于万钦、马振刚编写，第5章由李晓东、刘振东、曲本全、朱传同、苑得鑫、陈永松、高君编写，第6章由朱华炳、李霄剑、王勇、张涛、张彦、胡孔元编写。全书由清华大学傅水根教授、山东大学孙康宁教授、合肥工业大学曾亿山教授担任主审，在此由衷表示感谢。本书的编写得到了合肥工业大学、大连理工大学、天津职业技术师范大学、中国石油大学（华东）、深圳市产教融合促进会、深圳市思普泰克科技有限公司、安徽思普泰克智能制造科技有限公司、中科斯欧（合肥）科技股份有限公司、新开普电子股份有限公司、武汉高德信息产业有限公司、杭州易知微科技有限公司、数峦云（杭州）科技有限公司的大力支持，在此一并表示感谢。由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正并反馈我们，以便再版时修改。编者序
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